本文选自中国工程院院刊【中国工程科学】2023年第1期
作者：何金江 ，吕保国 ，贾倩，丁照崇 ，刘书芹 ，罗俊锋 ，王兴权
来源：集成电路用高纯金属溅射靶材发展研究[J].中国工程科学,2023,25(1):79-87.
编者按
高纯金属溅射靶材是集成电路用关键基础材料，对实现集成电路用靶材的全面自主可控，推动集成电路产业高质量发展具有基础性价值。在我国，集成电路用高纯金属溅射靶材行业起步较晚、基础薄弱，近年来受益于国家支持及自身成长，突破关键制备技术并形成高纯金属原料和溅射靶材研发制造体系，在产品性能方面逐步缩小与世界水平的差距，但在电子信息领域的高纯金属新材料开发方面仍滞后于下游产业的发展需求，有关材料亟待突破并实现自主可控。
中国工程院院刊【中国工程科学】2023年年第1期刊发有研亿金新材料有限公司何金江正高级工程师研究团队的【集成电路用高纯金属溅射靶材发展研究】一文。文章分析了集成电路用高纯金属溅射靶材的应用需求，梳理了相应高纯金属溅射靶材的研制现状，涵盖高纯铝及铝合金、高纯铜及铜合金、高纯钛、高纯钽、高纯钴和镍铂、高纯钨及钨合金等细分类别。在凝练我国高端靶材制备关键技术及工程化方面存在问题的基础上，着眼领域2030年发展目标，提出了集成电路用高纯金属溅射靶材产业的重点发展方向：提升材料制备技术水平，攻克高性能靶材制备关键技术，把握前沿需求开发高端新材料，提升材料分析检测和应用评价能力。文章建议，开展「产学研用」体系建设，解决关键设备国产化问题，加强人才队伍建设力度，掌握自主知识产权体系，拓展国际合作交流，以此提升高纯金属溅射靶材的发展质量和水平。
一、前言
集成电路产业是信息技术领域的核心产业，是事关经济社会发展和国家安全的战略性、基础性、先导性产业。随着第五代移动通信、物联网、人工智能等信息技术的迅速发展，集成电路的重要性更加凸显，相关产业持续高增长。材料是集成电路产业链的上游环节，对集成电路制造业发展与创新起着至关重要的支撑作用；一代技术依赖一代工艺，一代工艺依赖一代材料。在后摩尔时代，无论是延续摩尔定律，还是扩展摩尔定律，集成电路性能提升主要依赖新材料、新工艺、新器件、新集成技术。为了制造具有更高运转速度、增强性能特征、更低功耗的新器件，需要开发高性能新材料。
高纯金属溅射靶材是集成电路金属化工艺中采用物理气相沉积方法制备薄膜的关键材料。 早期的集成电路主要使用铝及铝合金、钛及部分贵金属等作为靶材；随着集成电路先进逻辑、先进存储、先进封装以及其他新器件技术的发展，使用靶材拓展至铜、钽、钴、镍、钨、钼、钒、金、银、铂、钌、钪、镧等有色金属及合金材料。与平面显示、太阳能等领域相比，集成电路对靶材的技术要求最高，集成电路用靶材的制备技术突破难度最大。为了提升靶材的综合性能，在高纯金属冶金提纯、熔铸成型、粉末烧结、微观组织调控、异质焊接，靶材结构优化设计、分析检测、应用评价等方面开展了系统研发。随着集成电路7 nm及以下先进逻辑器件、新型存储器件、三维集成等先进器件及技术的创新突破，靶材技术性能提升方面的需求更显迫切，同时下游应用验证的难度进一步增大。
客观来看，目前全球集成电路用高纯金属溅射靶材市场由美国、日本企业占据主导地位；虽然我国有色金属行业具有规模优势，但在电子信息领域的高纯金属新材料开发方面滞后于下游产业的发展需求，有关材料亟待突破并实现自主可控。当前，国家级发展规划已将高纯金属和溅射靶材列为新一代信息技术产业发展的重要材料类型。在此背景下，本文针对集成电路用高纯金属溅射靶材，分析需求、梳理现状、剖析问题，进而明确重点方向、提出保障建议，以为高纯金属溅射靶材的科技进步、行业升级以及相应材料基础研究提供参考。
二、集成电路用高纯金属溅射靶材应用需求分析
（一）材料功能需求
高纯金属溅射靶材在集成电路前道晶圆制造、后道封装的金属化工艺中有着广泛应用，主要用于制作互连线、阻挡层、通孔、接触层、金属栅以及润湿层、黏结层、抗氧化层等薄膜。
在晶圆制造中，对于逻辑器件，互连、接触、栅极等所需关键薄膜材料，随着技术节点的缩小而在不断演变。
① 早期的铝互连工艺，铝及铝合金用作互连线材料，钛用作对应的阻挡层材料；在90 nm节点后，铜互连工艺成为主流，铜及铜合金用作互连线材料，钽用作对应的阻挡层材料；对于7 nm及以下节点，晶体管结构的变革使得钴、钌、钼、钨等金属及合金等成为更具潜力的互连线或阻挡层材料。
② 关于晶体管源、漏和栅极与金属连线之间的接触层材料，随着技术节点的缩小也从早期钛、钴的硅化物逐渐发展为以镍（掺铂）为主的硅化物。
③ 在晶体管缩小的过程中，自45 nm节点引入高介电金属栅极后，采用钛、钽等金属及氮化物材料取代多晶硅制作金属栅极，获得了合适的有效功函数和高的热稳定性。
存储器件包括动态随机存取内存、闪存等主流存储芯片，磁性随机存储器、相变随机存储器等新型存储芯片；除了技术节点缩小带来的互连、接触等材料演变外，在存储功能方面对材料提出了新的更高要求， 因而钨及钨合金、镧、钴铁硼、锗锑碲等金属及合金材料在栅极层、磁性层、相变层等功能薄膜构建方面将发挥重要作用。
对于后道封装，随着集成电路先进封装技术的发展，在凸点下金属层、重布线层、硅通孔等工艺中，铝、钛、铜、钽、钨钛、金、银、镍钒等材料广泛用于薄膜制备，实现芯片与芯片、芯片与基板之间的高密度可靠互连。
高纯金属是制备靶材的原材料，化学纯度是影响薄膜材料性能的关键因素之一。 集成电路用高纯金属靶材纯度通常在4N5以上，对碱金属、碱土金属、放射性金属元素、气体杂质等都有严格控制要求。随着技术节点的缩小，金属靶材的纯度对薄膜材料性能及品质的影响突显，如14 nm用铜靶材纯度要求超过6N5。高纯金属材料提纯制备技术主要分为物理提纯法、化学提纯法，通常采用多种物理、化学方法联合提纯来制备集成电路用高纯材料。
集成电路用高纯金属溅射靶材在密度、晶粒尺寸、织构、焊接结合率、尺寸精度、表面质量等方面有一整套严格的标准。 集成电路工艺越先进，对金属靶材品质的要求也越高。随着晶圆尺寸的增加，金属靶材尺寸随之增大，材料的组织均匀性控制、高精度成型加工等技术难度也在提升。为了进一步提高金属靶材的使用性能，还需对靶材外型结构进行优化设计。因此，从微观品质、宏观规格来看，高纯金属溅射靶材面临着越来越高的技术要求。
（二）产业发展需求
「核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品」「极大规模集成电路制造装备及成套工艺」国家科技重大专项的实施，确立了集成电路产业的技术基础，在关键装备、材料产业方面实现了重要突破。2014年设立了国家集成电路产业投资基金，保持了对集成电路产业的扶持力度。我国集成电路市场规模达到10 458亿元（2021年），年均复合增长率为19.3%。2021年，我国集成电路产量为3594亿块（同比增长33.3%），进口量为6355亿块（同比增长16.9%）。 我国集成电路产业发展较快，但因制造技术滞后于国际先进水平，高端芯片、重大装备、关键材料的进口依存度居高不下，亟待自主创新发展。
集成电路市场的旺盛需求、产业自主可控发展需求等，推动了高纯金属溅射靶材行业发展，相应市场规模从8.4亿元（2015年）增长到18.2亿元（2022年）。在数字经济驱动下，半导体行业的长期高景气度，国产化替代进程加速，使得集成电路产业对各种高纯金属材料及溅射靶材的需求量将持续增长，从而为高端有色金属材料行业发展提供宝贵机遇和广阔空间。
三、集成电路用高纯金属溅射靶材的发展现状
（一）集成电路用高纯金属溅射靶材行业的整体情况
1. 国际情况
工业发达国家在集成电路用高纯金属溅射靶材方向的开发与应用，时间久、基础好、系统性强、积累深厚，相关的产业技术水平很高。尤其是美国、日本，较早开展高纯金属溅射靶材的研发工作，积极布局核心专利，具有完备的技术垂直整合能力（从金属材料的高纯化制备到靶材制造生产），在高端靶材市场占据优势地位。
日本在半导体材料方向全球领先，从事高纯金属研制的企业有日立金属株式会社、住友化学株式会社、三菱综合材料株式会社、日矿金属株式会社等，可工业化生产铝、钛、铜、镍、钴、钽、钨等高纯产品（最高纯度在6N以上）。美国作为半导体大国，大量生产和消耗高纯金属材料，如霍尼韦尔国际公司可提供除铝之外的集成电路用高纯金属材料。海德鲁公司（挪威）、普莱克斯有限公司（法国）在高纯铝市场具有优势，世泰科公司（德国）、攀时公司（奥地利）在高纯钨、钼、钽等难熔金属市场具有优势，优美科公司（比利时）在高纯稀贵金属生产与回收方面具有优势。集成电路用高端溅射靶材的主要研制和生产企业有日矿金属株式会社、霍尼韦尔国际公司、普莱克斯有限公司等。例如，日矿金属株式会社作为世界最大的集成电路靶材供应商，在铜、钽、钴、镍铂、钨等高纯靶材方向占据着较高的市场份额，与集成电路制造企业合作广泛。
2. 国内情况
在我国，集成电路用高纯金属溅射靶材行业起步较晚、基础薄弱，近年来受益于国家支持及自身成长，突破关键制备技术并形成高纯金属原料和溅射靶材研发制造体系，在产品性能方面逐步缩小与世界水平的差距。
在高纯金属方面， 国内企业围绕集成电路用靶材需求，共同推动高纯金属材料行业发展；代表性的企业有新疆众和股份有限公司、有研亿金新材料有限公司、宁夏东方钽业股份有限公司、金川集团股份有限公司、宁波创润新材料有限公司、厦门钨业股份有限公司等。整体来看，国内企业掌握了多种高纯金属制备技术并实现产业化：严格控制有害杂质元素含量，实现金属纯度从工业级向电子级提升；完成高纯铝、铜、钛、钽、镍、钴、贵金属等材料的国产化（铝纯度>5N5，铜纯度>6N，钽纯度>4N5，钛、镍、钴、金、银、铂、钨等金属纯度>5N），制备了大尺寸、低缺陷、高纯度的金属坯料用于溅射靶材生产。
在溅射靶材方面， 国内企业以有研亿金新材料有限公司、宁波江丰电子材料股份有限公司为代表，已在国际市场占有一席之地。针对不同种类高纯金属的加工特性，相关企业制定了专有的微观组织控制策略并不断优化工艺，突破了晶粒细化与取向可控、高质量焊接、精密加工与检测等关键制备技术；联合产业链的上下游企业，在涵盖靶材设计及制备、薄膜性能测试评价在内的全技术链条上开展合作，驱动技术迭代创新。目前，高纯铝及铝合金、钛、铜及铜合金、钴、镍铂及贵金属等靶材技术取得突破，产品性能达到国外同类水平，通过了国内外集成电路企业验证，实现批量生产和稳定供应。
（二）集成电路用高纯金属溅射靶材的细分方向研制情况
1. 高纯铝及铝合金靶材
铝具有易于沉积、刻蚀性能与加工性能好、电导率高、导热性能好、与衬底之间的附着性及结合性能好、成本低廉等特点，在90 nm技术节点以上是主要的互连线材料，在先进封装方面也有广泛应用。纯铝用作互连金属材料会产生「铝
